电化学联合酸法对污泥脱水性能的影响

李瑞玉，俞 强*，杨 震

（华北理工大学化学工程学院，河北 唐山 063210）

随着经济的发展和工业化的加速进程使得生活用水和工业用水量大幅度增加，从而污水处理厂超负荷运行，污泥产量越来越多[1]。截至2019年，全国污泥年产量约四千万吨[2]，由于其含水量达到95%以上[3]且具有亲水性，所以给污泥脱水过程造成了很大阻碍。剩余污泥如若处理不当很容易对环境造成二次污染[4]，因此如何能使污泥脱水效率提高成为污泥处理的首要问题。

目前已有的脱水技术研究有表面活性剂和酸处理的联合调理、高铁酸钾和微波的协调作用、生石灰和超声波的联合使用和冷冻技术联合化学调理等[5]。Marcin和Bien等人研究了电磁场和化学调理后污泥的脱水性能，结果显示，两者共同的作用效果比单独作用要明显，说明磁场对污泥脱水性能有改善[6-7]。李焕文等用超高温好氧发酵处理技术，在最佳条件下污泥含水率由81.3%降至 29.7%[8]。

如今广泛采用的脱水方法是机械脱水和调理剂相结合的工艺[9]，但该方法存在药剂随污泥弃置后潜在的二次污染问题，因此污泥脱水技术需要更新和发展。电化学处理技术降解污染物的效果十分显著[10-11]。周贞英等用电化学处理法，在最优的工艺下CST下降了35.5%[12]。电化学处理技术有实用性好、灵敏度高、污染影响相对较低、可操作性强的优点，如果另外结合加酸对污泥的调理作用，两种方法可以在原来的基础上互补，实现优势最大化。因此为污泥脱水技术提供了一个更有效的发展方向。

1 实验部分

1.1 实验材料

本实验的污泥来自河北唐山市南堡污水处理厂的二沉池回流污泥，取回污泥后待其稳定后测定脱水指标，结果为：污泥含水率96%、离心后含水率84.26%、毛细吸水时间380s。

1.2 实验装置

以圆柱形玻璃作为电化学处理装置，反应器内径20cm，高度20cm；两个石墨极板（10cm×10cm） 通过切割处理的格尺固定于反应器内，然后将两块极板与电源（兆信 KXN-6020D稳压直流电源）连接，组成整套实验装置。

1.3 试验方法

实验时，在圆柱形反应器中加入适当的污泥，然后加入硫酸调节pH，选取电压开启电源进行电解实验，根据影响因素的改变进行多组实验测定表征污泥性质的指标：污泥含水率（Wc）、毛细吸水时间（CST）。

2 实验结果及分析

2.1 pH值对污泥脱水性能的影响

为了讨论pH值对污泥脱水性能的影响，在实验过程中，调节极板附近的pH值分别为2、3、4、5、6，使极板插入深度为6cm、极板间距为6cm，设置电解电压为15V、电解时间为30min。对污泥进行电化学处理并测定含水率和毛细吸水时间，结果如图1所示。

图1 pH对污泥含水率和CST的影响

污泥含水率、CST都随pH呈现先下降后上升的趋势。当pH＜4时，酸性过强，不利于污泥胞外聚合物的瓦解，污泥脱水效果不是很好。pH＞4时，酸性变弱，在弱酸的外在液体环境中很难对污泥细胞产生作用，胞内聚合物难以释放出来，污泥脱水效果不显著。即pH=4时污泥脱水效果最好。

2.2 极板插入深度对污泥脱水性能的影响

为了讨论极板插入深度对污泥脱水性能的影响，调节极板pH为4，改变极板插入深度分别为2cm、4cm、6cm、8cm、10cm，其他条件保持不变。对污泥进行电化学处理并测定含水率和毛细吸水时间，结果如图2所示。

图2 插入深度对污泥含水率和CST的影响

随着极板插入深度不断增加，含水率、CST均呈现先降低后升高的趋势。当极板插入深度小于6cm时，两个极板间相对面积较小，电化学作用条件下，污泥细胞被破解的程度小，随之脱水性能变差。当其大于6cm时，两极板之间接触污泥较多，使得电路的电阻增加、电流减小，所以产生的自由基减少，脱水效果降低。即插入深度6cm是脱水的最好条件。

2.3 极板间距对污泥脱水性能的影响

为了讨论极板间距对污泥脱水性能的影响，实验设置pH为4，调节极板插入深度6cm，改变极板间距依次为 2cm、4cm、6cm、8cm、10cm，设置电解时间为30min、电解电压为15V。对污泥进行电化学处理并测定相应指标，结果如图3所示。

图3 极板间距对污泥含水率和CST的影响

随极板间距的增大，含水率、CST数值先下降后升高。当极板间距＞6cm时，由于随着极板间距增加，极板间的电阻也增加，穿过污泥的电流变弱，单位时间内产生的自由基减少，导致污泥脱水性能变差。当极板间距＜6cm时，极板之间的污泥较少，电化学对污泥的破解作用较间距6cm时减弱，因此脱水效果不显著。即最佳极板间距为6cm。

2.4 电解电压对污泥脱水性能的影响

为了讨论电解所用电压对污泥脱水性能的影响，调节pH为4、极板插入深度6cm、极板间距6cm，设置电解时间为30min，改变电解电压分别为5V、10V、15V、20V、25V，对污泥进行电化学处理并测定相应指标，结果如图4所示。

图4 电解电压对污泥含水率和CST的影响

随着电压逐步升高，含水率和CST均呈现先下降后升高的趋势。当电压＜15V时，随着电压的增大，产生的中间体越来越多，从而破坏污泥结构使其表面水释放，脱水效果越来越好。当电压达到15V时，效果达到最优。电压＞15 V时，自由基作用于污泥颗粒使其破解过度，随之增大了污泥比表面积，水分子相互结合更充分，更不易脱去。即最佳电解电压为15V。

2.5 电解时间对污泥脱水性能的影响

为了讨论电解时间对污泥脱水性能的影响，实验设置pH为4，极板插入深度、极板间距均为6cm，改变电解时间为10min、20min、30min、40min、50min，电解电压为15V。对污泥进行电化学处理并测定污泥含水率和毛细吸水时间，结果如图5所示。

图5 电解时间对污泥含水率和CST的影响

随着处理时间的增加，含水率和CST均先降低后升高。当电化学处理时间为30min时数值最小，分别为76.64%、218s，同原污泥相比含水率降低9.04%，CST减少了42.6%。电解时间与自由基含量成正相关，自由基会破坏污泥的絮体结构，从而使其水分易于脱去。当电解时间为30min时达到最优。之后自由基含量过多，导致污泥结构被破坏程度过大，从而脱水困难。即最佳电解时间为30min。

3 结论

利用单因素法得到电化学联合酸对污泥脱水性能的最适宜条件是：极板间距6cm，极板插入深度6cm，电解时间30min，电解电压15V，pH为4。在此条件下同原污泥相比含水率降低9.04%，CST下降了42.6%，电化学联合酸法改善污泥的脱水性能的效果十分显著。